Исследователи из Стэнфордского университета составили первую в мире карту необычного типа землетрясений, которые происходят глубоко в мантии Земли, а не в земной коре. Мантия находится между тонкой внешней корой планеты и ее расплавленным ядром. Составляя карты этих редких событий, ученые надеются лучше понять, как происходят мантийные землетрясения и что они могут рассказать о том, как зарождаются все землетрясения.
Результаты исследования, опубликованные 5 февраля в журнале Science, показывают, что землетрясения в континентальной мантии происходят по всему миру, но, как правило, концентрируются в определенных регионах. Значительные очаги землетрясений находятся под Гималаями в Южной Азии и вблизи Берингова пролива между Азией и Северной Америкой, к югу от Северного полярного круга. Изучение этих глубинных толчков может дать новые сведения о границе между земной корой и мантией, а также о поведении верхней мантии, которая генерирует вулканическую магму и способствует движению тектонических плит.
«До этого исследования у нас не было четкого представления о том, сколько на самом деле происходит землетрясений в континентальной мантии и где именно они происходят, — говорит ведущий автор исследования Шици (Аксель) Ван, бывший аспирант лаборатории профессора геофизики Саймона Клемперера в Стэнфордской школе устойчивого развития Доерра. — Благодаря этому новому набору данных мы можем начать изучать различные механизмы возникновения этих редких мантийных землетрясений».
Несмотря на то, что эти землетрясения происходят слишком глубоко под землей и не вызывают значительных колебаний или разрушений, они дают ценную информацию о том, как образуются землетрясения. Понимание их природы может помочь в изучении более распространенных поверхностных землетрясений, которые представляют реальную опасность.
«Хотя нам в общих чертах известно, что землетрясения обычно происходят в местах высвобождения напряжения на линиях разломов, мы не до конца понимаем, почему то или иное землетрясение происходит именно там, где оно происходит, и каковы основные механизмы этого процесса, — добавил Клемперер, старший автор исследования. — Мантийные землетрясения открывают новые возможности для изучения происхождения землетрясений и внутренней структуры Земли, выходящие за рамки обычных землетрясений в земной коре. »
Что находится над и под поверхностью Мохо?
Земная кора относительно холодная и хрупкая. В отличие от нее, мантия представляет собой толстый слой теплой и плотной породы, которая ведет себя скорее как медленно движущееся твердое тело и простирается на глубину около 2900 километров, занимая большую часть недр планеты. Граница между корой и мантией называется поверхностью Мохоровичича, или «Мохо».
В течение многих лет ученые сомневались в том, что мантия, которая горячее и пластичнее земной коры, вообще может вызывать сильные землетрясения. Большинство землетрясений на континентах происходят на глубине от 10 до 29 километров, то есть значительно выше границы Мохоровичича и в пределах земной коры. Исключение составляют зоны субдукции. В этих регионах тяжелые океанические плиты погружаются под более легкие континентальные, что иногда приводит к землетрясениям на глубине в сотни километров. Однако сейсмические приборы иногда фиксируют очаги землетрясений под континентами и вдали от зон субдукции, в некоторых случаях на глубине до 80 километров под поверхностью Мохоровичича.
За последнее десятилетие появилось все больше доказательств того, что редкие землетрясения действительно происходят в мантии, хотя они могут случаться примерно в 100 раз реже, чем землетрясения в земной коре. Тем не менее подтвердить эту гипотезу сложно из-за недостатка данных.
Прорыв в области обнаружения сейсмических волн
Чтобы надежно отличать мантийные землетрясения от коровых, Ван и Клемперер разработали метод, основанный на сравнении двух типов сейсмических волн. Эти волны распространяются по Земле после землетрясения, передавая колебания по всей планете, подобно звону колокола.
Один тип волн, называемый Sn-волнами, или «крышечными» волнами, распространяется по верхней части мантии в области, называемой «крышкой». Другой тип, Lg-волны, представляет собой высокочастотные колебания, которые эффективно распространяются через земную кору. Измеряя соотношение этих двух типов волн, исследователи могут определить, где произошло землетрясение — в земной коре или в мантии.
«Наш подход полностью меняет правила игры, потому что теперь можно определить мантийное землетрясение, основываясь исключительно на форме сейсмических волн», — сказал Ван.
Обнаружены сотни редких глубинных землетрясений
Команда исследователей проанализировала данные со станций сейсмического мониторинга по всему миру и учла такую информацию, как толщина земной коры. Из более чем 46 000 землетрясений они выделили 459 землетрясений в континентальной мантии, произошедших с 1990 года.
Исследователи предупреждают, что эта цифра, скорее всего, занижена. Расширение сейсмических сетей, особенно в отдаленных регионах, таких как Тибетское нагорье к северу от Гималаев, вероятно, позволит обнаружить больше мантийных землетрясений. Большую часть своей карьеры Клемперер посвятил изучению землетрясений в этом отдаленном регионе. Его более ранняя работа о необычных глубинных землетрясениях вдохновила Вана на изучение этой темы.
Имея растущий каталог подтвержденных мантийных землетрясений и надежный способ их обнаружения, команда планирует выяснить, что вызывает эти редкие явления. Некоторые из них могут быть афтершоками, вызванными сейсмическими волнами, распространяющимися от землетрясений в земной коре. Другие могут быть связаны с тепловой конвекцией в мантии, когда она перерабатывает погрузившиеся в мантию плиты земной коры.
В перспективе, по мнению исследователей, дальнейшие исследования прольют свет на внутреннее устройство планеты.
«Землетрясения в континентальной мантии могут быть частью взаимосвязанных сейсмических циклов, происходящих как в земной коре, так и в верхней мантии, — говорит Ван. — Мы хотим понять, как эти слои нашей планеты функционируют как единая система».